專利名稱：具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人和機(jī)械制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
為便于說明，用n(n＝1、2、3、4、6)表示分支數(shù)，用字母S、T、P、R分別表示分支運(yùn)動(dòng)鏈中的球鉸、萬向鉸、移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副，它們的組合表示分支運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)分支為含驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)分支，被動(dòng)約束分支為不含驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)分支。
并聯(lián)機(jī)器人具有機(jī)構(gòu)剛度大，承載能力強(qiáng)，末端質(zhì)量輕，慣性小，位置誤差不累積等特點(diǎn)，在應(yīng)用上與串聯(lián)機(jī)器人呈互補(bǔ)關(guān)系。近年來，少自由度(自由度少于6)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)已成為機(jī)器人和制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)有的三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)種類相對(duì)較多，諸如Hunt提出的3-RPS機(jī)構(gòu)，Pierrot提出的Delta機(jī)構(gòu)，Tsai提出的3-TPT機(jī)構(gòu)，獲美國專利(USANo.5656905)，Gosselin提出的3-RRR機(jī)構(gòu)和3-PRR機(jī)構(gòu)，黃真等提出的新型三自由度并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，獲中國專利(CN 1311083A)。四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)種類相對(duì)很少，2000年汪勁松等提出一種四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和一種兩移兩轉(zhuǎn)四軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)，分別獲中國專利(CN 1267586A)和(CN 1267582A)，2001年黃真提出3-TRT/SPS四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，獲中國專利(CN 1306899A)，2003年黃田提出四自由度混聯(lián)機(jī)器人獲中國專利(CN 1439492A)。四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)種類少并非說明它們不重要，恰恰相反，工業(yè)上對(duì)此類機(jī)構(gòu)有著更廣泛應(yīng)用的需求。與廣泛應(yīng)用的Stewart六自由度6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相對(duì)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制等優(yōu)點(diǎn)。但少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)分支有轉(zhuǎn)動(dòng)副，容易產(chǎn)生彎矩和剪力，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)十分不利。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種直線驅(qū)動(dòng)分支僅受軸向力的運(yùn)動(dòng)精度高的具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。該發(fā)明具有機(jī)構(gòu)相對(duì)簡單，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，工作空間相對(duì)較大，驅(qū)動(dòng)分支不受彎矩和剪力等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在三維空間沿被動(dòng)約束分支軸向一個(gè)移動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。該發(fā)明中的每個(gè)SPS驅(qū)動(dòng)分支有一個(gè)繞其軸線自轉(zhuǎn)的局部自由度，但它不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，用很小的柔性約束力即可阻止SPS驅(qū)動(dòng)分支自轉(zhuǎn)，因此忽略SPS驅(qū)動(dòng)分支的局部自由度后，本發(fā)明仍為四自由度。
這種具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由基座1、上平臺(tái)4及連接基座1和上平臺(tái)4的四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支和一個(gè)被動(dòng)約束分支組成，其特征在于四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)相同，呈對(duì)稱分布，運(yùn)動(dòng)約束分支位于中心；直線驅(qū)動(dòng)分支兩端有球副2，中間有一個(gè)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3，構(gòu)成SPS串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3軸線與球鉸2中心重合，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3由液壓或機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置組成；運(yùn)動(dòng)約束分支結(jié)構(gòu)分為兩種第一種被動(dòng)約束分支由一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)球鉸構(gòu)成PS串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，移動(dòng)副由套5和球鉸輸入桿6組成，套5軸線與上平臺(tái)4垂直，套5上端與四邊形上平臺(tái)4中心固連；球鉸輸出桿7與四邊形基座1中心固連；第二種被動(dòng)約束分支由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)萬向鉸構(gòu)成RPT串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，轉(zhuǎn)動(dòng)副由轉(zhuǎn)動(dòng)副輸入桿8，轉(zhuǎn)軸9和轉(zhuǎn)動(dòng)副輸出桿10組成，轉(zhuǎn)動(dòng)副輸入桿8與上平臺(tái)4中心固連，轉(zhuǎn)軸9的軸線與上平臺(tái)4平面平行，轉(zhuǎn)動(dòng)副輸出桿10與移動(dòng)副套合二為一，移動(dòng)副鍵軸與萬向鉸輸入桿11合二為一，轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸9與萬向鉸水平軸12空間垂直，萬向鉸垂直軸13與基座1中心垂直轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接。
這兩種新型四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基座1和上平臺(tái)4可以分別是矩形或正方形，但不能同時(shí)為正方形，以免機(jī)構(gòu)奇異；四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支分布在矩形的四角頂點(diǎn)，被動(dòng)約束分支位于矩形的中心；驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3是由液壓或電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠螺旋副組成的直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。



圖1具有被動(dòng)約束分支PS四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)； 圖2具有被動(dòng)約束分支RPT四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
在圖1、圖2中，1.基座，2.球鉸，3.驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副，4.上平臺(tái)，5.移動(dòng)副套，6.移動(dòng)副軸和球鉸輸入桿，7.球鉸輸出桿，8.轉(zhuǎn)動(dòng)副輸入桿，9.轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸，10.轉(zhuǎn)動(dòng)副輸出桿和移動(dòng)副鍵套，11.移動(dòng)副鍵軸和萬向鉸輸入桿，12.萬向鉸水平軸，13.萬向鉸輸出桿。
實(shí)施例1 附圖1是本發(fā)明公開的一個(gè)實(shí)施例，這種具有被動(dòng)約束分支PS四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括基座1、上平臺(tái)4、及連接基座1和上平臺(tái)4的四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支和一個(gè)被動(dòng)約束分支組成，基座1和上平臺(tái)4分別是正方形和矩形。四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)相同，分布在基座1和上平臺(tái)4的四角頂點(diǎn)處，直線驅(qū)動(dòng)分支兩端有球鉸2，中間有一個(gè)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3軸線與球鉸2中心重合。被動(dòng)約束分支位于矩形中心，它有一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)球鉸構(gòu)成PS串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，移動(dòng)副由移動(dòng)副套5和球鉸輸入桿6組成，移動(dòng)副套5與上平臺(tái)4中心垂直固連，球鉸輸出桿7與基座1中心固連。驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3由液壓直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或電動(dòng)機(jī)與螺旋副構(gòu)成的直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。
實(shí)施例2 附圖2是本發(fā)明公開的另一個(gè)實(shí)施例，這種具有被動(dòng)約束分支RPT四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括基座1、上平臺(tái)4、及連接基座1和上平臺(tái)4的四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支和一個(gè)被動(dòng)約束分支組成，基座1和上平臺(tái)4分別是矩形和正方形。四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)相同，分布在基座1和上平臺(tái)4的四角頂點(diǎn)處，直線驅(qū)動(dòng)分支兩端有球鉸2，中間有一個(gè)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3軸線與球鉸2中心重合。被動(dòng)約束分支位于矩形中心，它由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)萬向鉸構(gòu)成RPT串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，轉(zhuǎn)動(dòng)副輸入桿8與上平臺(tái)4中心固連，轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸9與上平臺(tái)4平面平行，轉(zhuǎn)動(dòng)副輸出桿與移動(dòng)副套10合二為一，移動(dòng)副鍵軸11與萬向鉸輸入桿合二為一，轉(zhuǎn)動(dòng)副軸9與萬向鉸水平軸12空間垂直，萬向鉸垂直軸13與基座1中心垂直轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接。驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副3由液壓直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或電動(dòng)機(jī)與螺旋副構(gòu)成的直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。
這兩種新型的含運(yùn)動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)除具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大、承載高，工作空間大，結(jié)構(gòu)對(duì)稱等特點(diǎn)外，由于只采用球副和移動(dòng)副，因此還具有驅(qū)動(dòng)分支不受彎矩和剪力，機(jī)構(gòu)相對(duì)簡單緊湊，易于制造和安裝，運(yùn)動(dòng)精度等特點(diǎn)。被動(dòng)約束分支含兩種不同具體結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的被動(dòng)約束分支都使上平臺(tái)4的運(yùn)動(dòng)失去兩個(gè)自由度。第一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在三維空間沿被動(dòng)約束分支軸向的一個(gè)移動(dòng)，繞被動(dòng)約束分支軸線的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，繞與該軸線垂直軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。第二種并聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在三維空間沿被動(dòng)約束分支軸向的一個(gè)移動(dòng)，繞轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸9的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，繞萬向鉸水平軸12和垂直軸13的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。用這兩種新型四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)出各種用途的空間并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、微動(dòng)機(jī)器人以及傳感器元件等。
權(quán)利要求
1.一種具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括基座(1)、上平臺(tái)(4)、及連接基座(1)和上平臺(tái)(4)的四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支和一個(gè)被動(dòng)約束分支組成，其特征在于基座(1)和上平臺(tái)(4)分別是矩形或正方形，但不能同時(shí)為正方形；四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)分支的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)相同，分布在基座(1)和上平臺(tái)(4)的四角頂點(diǎn)處，直線驅(qū)動(dòng)分支兩端有球鉸(2)，中間有一個(gè)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副(3)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副(3)軸線與球鉸(2)中心重合；一個(gè)被動(dòng)約束分支位于矩形中心，所說的被動(dòng)約束分支有一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)球鉸構(gòu)成PS串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，移動(dòng)副由移動(dòng)副套(5)和球鉸輸入桿(6)組成，移動(dòng)副套(5)與上平臺(tái)(4)中心垂直固連，球鉸輸出桿(7)與基座(2)中心固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于被動(dòng)約束分支由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)萬向鉸構(gòu)成RPT串聯(lián)結(jié)構(gòu)分支，轉(zhuǎn)動(dòng)副輸入桿(8)與上平臺(tái)(4)中心固連，轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸(9)與上平臺(tái)(4)平面平行，轉(zhuǎn)動(dòng)副輸出桿與移動(dòng)副套(10)合二為一，移動(dòng)副鍵軸(11)與萬向鉸輸入桿合二為一，轉(zhuǎn)動(dòng)副軸(9)與萬向鉸水平軸(12)空間垂直，萬向鉸垂直軸(13)與基座(1)中心垂直轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副(3)軸線與球鉸(2)中心重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副(3)由液壓直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或電動(dòng)機(jī)與螺旋副構(gòu)成的直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)器人和機(jī)械制造領(lǐng)域。本發(fā)明提供一類新型的具有被動(dòng)約束分支四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它含兩種不同的被動(dòng)約束分支具體結(jié)構(gòu)。此類機(jī)構(gòu)可以作為并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)沿被動(dòng)約束分支軸向一個(gè)移動(dòng)和三個(gè)不同形式的轉(zhuǎn)動(dòng)。除具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大、承載高的特點(diǎn)外，還具有驅(qū)動(dòng)分支只受軸向力、工作空間與機(jī)構(gòu)體積比大、機(jī)構(gòu)相對(duì)簡單、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、高精度、成本低和易制造等特點(diǎn)。本發(fā)明可設(shè)計(jì)出各種用途的空間并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、微動(dòng)機(jī)器人以及傳感器元件等。
文檔編號(hào)B25J9/10GK1644312SQ200510052260
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月6日
發(fā)明者路懿 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)